地球液核自由章动周期的时变特性研究

Free Core Nutation (FCN) is the Earth's rotational mode due to the interaction between solid mantle and fluid outer core, which includes important information of physical properties at core-mantle boundary (CMB). The investigation on temporal variation in FCN period has important reference value for the revel of variation in CMB's properties and structures. In this project, the temporal variation of FCN period will be studied by using high precision surface gravity observations offered by global superconducting gravimeters (SG) and high precision nutation observations offered by Very Long Baseline Interferometry (VLBI). The main influence effects on FCN parameters (period and quality factor) determination such as ocean tide loading, atmospheric loading and regional effects will be analyzed systematically and corrected precisely. By involving Bayesian method and using traditional least square method, the FCN period will be precisely estimated based on improved calculation model. The FCN periods from gravity and spatial geodesy technique are compared to investigate its temporal variation. Based on the FCN's theoretical model derived from angular momentum method, the influence of related physical properties at CMB on FCN period will be studied, and the mechanism of temporal variation in FCN period will be discussed.

地球液核自由章动(FCN)是固体地幔与液态外核相互作用产生的地球自转简正模，包含了核幔边界重要的地球物理信息，FCN周期时变性的研究对于揭示核幔边界结构及物理性质的变化具有重要参考价值。本项目旨在联合全球超导重力仪（SG）的高精度地表重力观测资料和国际甚长基线干涉测量（VLBI）的高精度章动观测资料研究FCN周期的时变特征。系统分析不同资料确定FCN参数(包括周期和品质因子)的主要影响因素如海潮负荷、大气负荷及台站区域性效应等，精密改正各种影响因素，引进贝叶斯算法结合传统的最小二乘法，进一步完善FCN参数的计算模型，精密确定FCN周期，对比研究重力和空间大地测量两种技术手段获得的FCN周期时变特征，利用角动量法推导的FCN理论模型研究核幔边界相关物理性质对FCN周期的影响，探讨FCN周期时变性的激发机制。

地球液核自由章动（FCN）是固体地幔与液态外核相互作用产生的地球自转简正模，其周期和品质因子等重要参数与核幔边界的物理性质密切相关，是地球深部动力学研究的重要内容，FCN周期的时变性是目前国内外研究的热点问题，对于揭示核幔边界物理性质的变化及大尺度流体动力学过程具有重要参考价值。.该项目以全球地球动力学国际合作计划（GGP）的超导重力仪网络提供的高精度、长期连续重力固体潮观测为基础，联合国际甚长基线干涉测量（VLBI）服务组织（IVS）提供的长期连续章动观测资料，系统分析不同资料确定FCN参数(包括周期和品质因子)的主要影响因素如海潮负荷、大气负荷及台站区域性效应等，精密改正各种影响因素，引进贝叶斯算法结合传统的最小二乘法，进一步完善FCN参数的计算模型，精密确定FCN周期；然后采用传统最小二乘法和更为有效的贝叶斯方法，对两种资料分段处理，精密的确定FCN的周期，对比了重力和空间大地测量两种技术手段获得的FCN周期时变特征。同时结合大气海洋等地表流体角动量数据和角动量法推导的FCN理论模型对FCN的激发机制进行了研究，探讨了核幔边界相关物理性质对FCN周期的影响，以及FCN周期时变机制。.通过该项目的研究：一方面，通过对比完全独立的两种观测手段确认了地球自由核章动的周期存在十年年际尺度的变化特征；另一方面，通过分析地表流体激发和核幔耦合对FCN激发的贡献发现，大气海洋激发可以解释超过80%的FCN振幅变化，而核幔电磁耦合对FCN振幅的影响可以超过15%，同时地磁急变与FCN周期的变化具有很好的相关性，表明地磁急变引起的核幔耦合变化是FCN时变性的重要影响因素。